通過(guò)光電容積脈搏波監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)光學(xué)體征信號(hào)監(jiān)測(cè)

面對(duì)日益緊張，快節(jié)奏的現(xiàn)代生活，越來(lái)越多的人對(duì)壓力監(jiān)測(cè)表現(xiàn)出濃厚興趣。目前有兩種方式可以測(cè)出壓力水平，一種是阻抗監(jiān)測(cè)，因?yàn)楫?dāng)人們緊張時(shí)，皮膚阻抗會(huì)發(fā)生變化；一種是光學(xué)測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)意味著，對(duì)于壓力測(cè)量可以側(cè)重測(cè)量心率和心率變化。無(wú)論是阻抗測(cè)量還是光學(xué)測(cè)量，ADI公司均已涉獵很長(zhǎng)時(shí)間了。其中光學(xué)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到不同的應(yīng)用場(chǎng)景當(dāng)中，生命體征監(jiān)測(cè)就是其中之一。在通過(guò)光學(xué)技術(shù)測(cè)量生命體征方面，ADI運(yùn)用的是PPG（光電容積脈搏波）監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)際上就是把光注入人體或組織當(dāng)中，然后通過(guò)透射法或反射法測(cè)量響應(yīng)。

PPG技術(shù)，發(fā)射發(fā)走向主流

在醫(yī)院里，醫(yī)生會(huì)在我們的手指上夾上夾子，通過(guò)夾子把光注入手指。在另一側(cè)，用光電二極管測(cè)量光吸收率或者穿過(guò)手指的光量。這就是經(jīng)典的血氧測(cè)量系統(tǒng)。

圖1.用于監(jiān)測(cè)心血管體系壓力和容積的方法

如今，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者拋棄透射系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向反射系統(tǒng)。因?yàn)樵谕干錅y(cè)量技術(shù)中，信號(hào)強(qiáng)度要大得多，而反射技術(shù)更方便一些。反射技術(shù)可以把傳感器集成到一個(gè)器件當(dāng)中，不需要使光穿過(guò)身體的某個(gè)部位，只需要在同一部位測(cè)量發(fā)射器和接收器上的光即可。這實(shí)際上就是PPG信號(hào)的樣子，先是頂點(diǎn)，然后是一個(gè)很小的反射點(diǎn)。

從LED到光學(xué)模塊，細(xì)說(shuō)光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建

光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建似乎并不是很簡(jiǎn)單。首先需要生成被注入人體的光，一般采用的是LED；然后需要信號(hào)調(diào)理模塊。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，可能只有一個(gè)光波長(zhǎng)，也可能有兩個(gè)或者三個(gè)。如下圖所示的應(yīng)用場(chǎng)景中，采用綠光監(jiān)測(cè)心率、紅外光監(jiān)測(cè)血氧飽和度（SPO2）。在作為接口的光電二極管之后是一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外，有LED控制，是用相同的模擬前端驅(qū)動(dòng)的。

圖2.ADI公司光接收信號(hào)鏈與ADPDxxxx系列

對(duì)于這個(gè)信號(hào)鏈，ADI推出了完整的集成式光傳感器ADPD22XX系列。雖然光學(xué)系統(tǒng)并非始終都需要集成這類(lèi)光傳感器，但是，如果要測(cè)量血氧飽和度SPO2，相比光硬驅(qū)系統(tǒng)，信噪比需要高得多。所以對(duì)于這類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景，增加一個(gè)嵌入放大器的光傳感器就非常有用了。另外，ADI還有完整的子系統(tǒng)集成式模擬前端——ADPD10X或108X系列，該系列前端集成了20倍放大器。其后是一個(gè)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，此外還集成了LED驅(qū)動(dòng)器。就光學(xué)模塊而言，ADI也可以提供全系列的光學(xué)模塊產(chǎn)品，包括ADPD14、17和18X系列。

克服光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建挑戰(zhàn)，ADI產(chǎn)品全方位應(yīng)對(duì)

在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，有一些問(wèn)題要考慮，比如環(huán)境光的干擾有可能輕松破壞掉測(cè)量結(jié)果。因此，如果要設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)，就需要確保能抑制環(huán)境光的干擾。環(huán)境光通常來(lái)自太陽(yáng)，抑制起來(lái)比較容易，只要添加一個(gè)小濾波器，就能完全抑制。但是室內(nèi)采用的是LED一類(lèi)開(kāi)關(guān)頻率為350KHz的固態(tài)照明，這類(lèi)光抑制起來(lái)就要困難得多。ADI的環(huán)境光抑制模塊（例如ADPD17X和ADPD18X系列）具有強(qiáng)大的外部干擾抑制能力，能夠非常有效地抑制外部光干擾。

圖3.ADI ADPD174GGI光學(xué)模塊及其后續(xù)產(chǎn)品

然后，運(yùn)動(dòng)也是一個(gè)必須考慮的因素，因?yàn)槠涓蓴_可能造成大量的偽影。例如采用戴在腕部的測(cè)量器件，在測(cè)量光學(xué)心率時(shí)，雙手可能在移動(dòng)，移動(dòng)的基頻很可能剛好與心跳處在相同的范圍內(nèi)，這時(shí)就需要進(jìn)行補(bǔ)償。一般可以通過(guò)機(jī)械方式進(jìn)行補(bǔ)償，比如，通過(guò)腕帶使器件緊貼皮膚，這樣做會(huì)起到一定的作用，能抑制運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的部分偽影，但同時(shí)還要做的是，集成或者建議集成運(yùn)動(dòng)傳感器。在這方面，ADI的超低功耗、3軸MEMS加速度計(jì)ADXL362就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

圖4. ADXL362是業(yè)內(nèi)功耗極低的MEMS加速度計(jì)

此外，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)而言，還需要考慮的還包括人體生理機(jī)能、膚色、系統(tǒng)的機(jī)械因素（例如LED與光電二極管之間的距離）等。針對(duì)模擬前端，ADI開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品——ADPD10X系列光度測(cè)量前端，該系列產(chǎn)品有助于克服上述的各種挑戰(zhàn)。新一代的ADPD108X系列與上一代系列產(chǎn)品相比，在功耗相同的情況下，可以提高信噪比；也可以使信噪比與以前的系列保持一致，但可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的低功耗。

圖5.ADI第二代和第三代光學(xué)模擬前端產(chǎn)品對(duì)比

結(jié)語(yǔ)

可以看出，在光學(xué)法測(cè)量生理體征信號(hào)方面，ADI可以提供完整的光系列傳感器及信號(hào)處理方案。據(jù)悉，ADI專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于光學(xué)法測(cè)量的各類(lèi)生理體征信號(hào)的ADPD系列產(chǎn)品是目前市面上（可以看到的）集成較高（Photodiode+LED+模擬前端采集AFE+LEDdriver+環(huán)境光抑制等，輸出就是I2C的數(shù)字量）、體積小、功耗低（十分靈活的配置）、性能好（在體積，功耗都很有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)）以及非常成熟（早已有大量出貨）的解決方案?？傊珹DI公司始終都走在這個(gè)市場(chǎng)的前沿，積極開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品和解決方案，以實(shí)現(xiàn)新一代生命體征監(jiān)測(cè)。

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